文｜楊 珍

蘇科版八年級上冊生物學中的“植物的蒸騰作用”實驗，展示了實驗在生物學教學中的價值和重要性。該實驗涵蓋在“生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定”章節(jié)，通過具體實驗操作，學生可以深入了解綠色植物在生物圈水循環(huán)中的角色，以及葉片結構和蒸騰作用之間的內在聯(lián)系。本研究旨在探討如何將STEM 理念融入“植物的蒸騰作用”的實驗設計和實施中，以促進學生對生物學現(xiàn)象的深入理解和培養(yǎng)學生的探究能力。

一、“植物的蒸騰作用”的實驗設計

1.實驗目的

在“植物的蒸騰作用”中，學生通過觀察和操作，能夠深刻地理解蒸騰作用及其在生物圈水循環(huán)中的重要角色。通過對植物葉片的直接觀察和蒸騰作用的測定，學生能夠更清晰地了解到水分在植物體內的運動方式，以及其最終通過蒸騰作用返回到大氣中的過程。這一過程不僅關系到植物的生長發(fā)育，更在生物圈的水循環(huán)中起到不可或缺的作用。

2.實驗原理

實驗原理是實驗的核心，它指導整個實驗的設計和實施。在“植物的蒸騰作用”實驗中，理解葉片結構、氣孔和蒸騰作用之間的關系至關重要，葉片是植物進行光合作用和蒸騰作用的主要場所。其中，氣孔作為葉片的一個重要結構，直接參與了蒸騰作用，影響著水分的釋放和氣體的交換。氣孔位于葉片的表皮細胞之間，是一個微小的開口結構。在這個實驗中，學生將通過顯微鏡觀察到氣孔的具體形態(tài)和結構，理解其在蒸騰作用中的作用。氣孔的開閉由其周圍的兩個保衛(wèi)細胞控制，這影響著水氣的釋放量和速率。蒸騰作用是植物葉片通過氣孔釋放水蒸氣到大氣中的過程。這一過程受多種因素的影響，包括環(huán)境溫度、濕度、光照強度等。在實驗中，通過改變這些條件，學生可以觀察到蒸騰作用的變化，從而深入了解其背后的生理機制和生態(tài)意義。在生物圈的水循環(huán)中，植物的蒸騰作用起到橋梁作用。它將地表和植物體內的水分轉化為水蒸氣，釋放到大氣中，參與云的形成和降水過程。這一過程不僅維持了生物圈內的水分平衡，還影響著全球的氣候和生態(tài)系統(tǒng)。通過本實驗，學生能夠直觀地了解到這一過程，領略生物學的奧秘和生態(tài)學的重要性。

二、“植物的蒸騰作用”的實驗步驟與方法

1.準備材料

要確?！爸参锏恼趄v作用”實驗的順利進行，事先準備好所有必要的材料是關鍵。選擇健康、生長旺盛的綠色植物作為實驗對象，可以考慮選用具有較大、平滑葉片的植物，以便于后續(xù)的觀察和分析。在植物選擇方面，應注意植物種類的代表性，確保實驗結果的普適性和可推廣性。顯微鏡是本實驗的重要工具，需要根據(jù)實驗的具體要求，選擇分辨率、放大倍數(shù)適當?shù)娘@微鏡。必要時，教師可以準備數(shù)字顯微鏡以便于圖像的捕捉和分析。顯微鏡在使用前，要確保其清潔、校準，減少誤差，保證觀察的準確性。計量設備的選擇與準備也不容忽視。為了準確測量植物蒸騰作用的相關參數(shù)，如水蒸氣的釋放量等，需要精確、可靠的計量設備。這包括但不限于計量罐、稱重設備等。這些設備要在實驗前進行校準和測試，確保數(shù)據(jù)的準確。此外，教師還需要準備其他輔助材料，如刻度容器、濾紙等，以及記錄數(shù)據(jù)的筆記本和攝像設備。所有這些材料都應根據(jù)實驗的具體需求和步驟事先準備妥當，確保實驗過程的流暢和數(shù)據(jù)的準確。

2.操作步驟

本實驗的操作步驟涵蓋葉片采集、氣孔觀察、蒸騰作用的測定。首先是葉片采集，要選取健康、完整的葉片，避免選擇受損或病變的葉片。使用剪刀沿著葉柄切取，然后放入透明塑料袋中保持新鮮；氣孔觀察需要利用之前準備好的顯微鏡。將采集到的葉片制作成臨時裝片固定在顯微鏡的載玻片上，通過顯微鏡觀察氣孔的分布、形狀和大小，并用攝像設備記錄下清晰的圖像，以便后續(xù)的分析和討論；蒸騰作用的測定需要用到刻度容器和稱重設備。首先，在固定的時間間隔內，用刻度容器收集植物釋放到大氣中的水蒸氣。其次，利用稱重設備測量葉片在蒸騰作用過程中的質量變化。通過這些數(shù)據(jù)，我們可以計算出蒸騰作用的速率和效率。

3.數(shù)據(jù)記錄

本實驗的重點是對氣孔數(shù)量和結構以及植物蒸騰作用的速率和效率進行準確測量和分析。在氣孔觀察階段，通過高清顯微鏡和相機設備，記錄清晰的氣孔圖像，并通過計數(shù)分析得出每平方毫米葉片面積上氣孔的平均數(shù)量為50 個。同時，我們還需要對氣孔的形狀、大小以及分布等信息進行詳細的記錄和分類，以供后續(xù)的數(shù)據(jù)對比和分析。

蒸騰作用測定的數(shù)據(jù)更為豐富，采用精確計量設備，每隔30 分鐘測量一次葉片質量和收集到的水蒸氣量。首次測量，葉片質量為20.5 克，水蒸氣量為0；經(jīng)過30 分鐘后，葉片質量減少到20.2 克，水蒸氣量增加到0.3 毫升。繼續(xù)測量，直至180 分鐘，通過對比分析葉片質量和水蒸氣量的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)兩者之間存在明顯的負相關關系，具體的測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 蒸騰實驗數(shù)據(jù)測定表

通過分析表1 的數(shù)據(jù)，根據(jù)葉片質量下降與水蒸氣量增加之間的關系，可以初步判定植物蒸騰作用速率和效率與葉片氣孔數(shù)量和結構關系密切。

三、STEM 理念在“植物的蒸騰作用”實驗中的體現(xiàn)

1.科學

在“植物的蒸騰作用”實驗中，學生被引導去觀察葉片的氣孔，一個微小卻對植物生命至關重要的結構。學生學習如何使用顯微鏡，如何精確地記錄氣孔的數(shù)量和形態(tài)。這些步驟都深深植根于科學的方法——觀察、記錄、分析。在分析階段，學生需要思考氣孔數(shù)量和形態(tài)與蒸騰作用之間的聯(lián)系，這里涉及生物學和生態(tài)學的知識。學生需要理解，是怎樣的氣孔結構促成高效的蒸騰，這背后又有怎樣的生物學機制。每一個問題的回答，都需要學生運用已有的知識，同時鼓勵他們去探索未知、去查詢資料、去求證假設。這一切都是科學思維的體現(xiàn)。

2.技術

在本次實驗中，技術的應用體現(xiàn)在多個方面，尤其是在實驗操作和數(shù)據(jù)分析階段。在實驗操作中，學生使用先進的顯微鏡來觀察植物葉片的氣孔。這一技術工具不僅使微小的氣孔清晰可見，還能通過數(shù)字成像技術捕獲和存儲圖像數(shù)據(jù)，為后續(xù)的分析提供便利。技術的應用使學生能更深入、細致地探索氣孔與蒸騰作用之間的關系，推動他們的科學探究進入更高層次。在數(shù)據(jù)分析階段，技術同樣發(fā)揮著重要的作用。通過專業(yè)的數(shù)據(jù)分析軟件，學生能更準確和高效地處理實驗數(shù)據(jù)，識別和分析蒸騰作用的模式和趨勢。

3.工程

工程在這里并不只是一個具體操作或者技術應用，它更是一種對復雜系統(tǒng)和流程的理解和掌控。在實驗的每個階段，都需要工程的精確和嚴謹。比如，在準備材料時，工程思維要求我們不僅要準備所需的物品，還要考慮這些物品的性能、精度，以及它們之間的相互關系和影響。同樣，在實驗操作中，工程思維也起到了核心作用。它指導學生如何精確地采集葉片、如何有效地觀察氣孔、如何準確地測定蒸騰作用。每個操作都需要精確和嚴謹，這不僅是技術和技能的要求，更是對整個實驗流程和結構的深刻理解。

4.數(shù)學

數(shù)學作為實驗的基石，在“植物的蒸騰作用”實驗中扮演著關鍵角色。在實驗的數(shù)據(jù)記錄和分析階段，數(shù)學的作用尤為顯著。學生通過數(shù)學工具，對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析，這不僅增強了數(shù)據(jù)的可讀性和可理解性，更使實驗結果更為準確和可靠。如“植物的蒸騰作用”實驗，數(shù)學幫助學生量化了蒸騰作用的速率和效率，使這一復雜的生物現(xiàn)象可以被量化和分析。通過數(shù)學模型和算法，學生可以更深入地探索蒸騰作用與氣孔參數(shù)、環(huán)境條件之間的關系，揭示出這一生物現(xiàn)象背后的規(guī)律和原理。

四、“植物的蒸騰作用”實驗的結果與討論

1.展示實驗結果

完成“植物的蒸騰作用”實驗后，學生得到一系列翔實的數(shù)據(jù)和觀察結果。實驗數(shù)據(jù)如表2 所示，通過這些數(shù)據(jù)，可以更直觀地理解蒸騰作用及其與各種環(huán)境因素的關系。一是葉片氣孔的觀察，學生利用顯微鏡，深入探索了氣孔的結構和分布。每片葉子都呈現(xiàn)出一個微觀的奇妙世界，氣孔以其特有的形態(tài)和排列，揭示了生命的精妙構造。二是蒸騰作用的測定，實驗數(shù)據(jù)顯示，隨著光照強度的增加，而濕度保持適中的條件下，蒸騰作用更為明顯。學生通過精確的計量和記錄，對不同條件下的蒸騰速率有了清晰的認識。

表2 植物蒸騰作用數(shù)據(jù)表

由表2 可以看出，隨著光照強度的增加，植物的蒸騰作用也隨之增強，這也驗證了實驗前的假設。實驗結果不僅印證了蒸騰作用的基本原理，還揭示了其在不同環(huán)境條件下的動態(tài)變化特征。

為了對實驗數(shù)據(jù)進行深入分析，采取了數(shù)據(jù)對比和圖表展示的方法，明確了葉片蒸騰作用在不同條件下的變化特點，以此更好地適應外界環(huán)境的變化，這也揭示了生物與環(huán)境之間存在微妙而復雜的關系。

2.結果討論

實驗數(shù)據(jù)和觀察結果帶來了豐富的信息，引領學生深入探討植物蒸騰作用與生物圈水循環(huán)的內在聯(lián)系。氣孔的結構和分布直接影響蒸騰作用的效率。通過對比分析，學生發(fā)現(xiàn)，在光照充足、溫度適中的條件下，氣孔更傾向于打開，促使水分蒸發(fā)，這一點從蒸騰速率的數(shù)據(jù)也得到了驗證。學生進一步探討了蒸騰作用對生物圈水循環(huán)的影響。實驗數(shù)據(jù)顯示，蒸騰作用是植物釋放水分到大氣中的主要途徑。這一過程不僅幫助植物調節(jié)體溫、輸送營養(yǎng)，還對大氣濕度、云的形成和降水量產(chǎn)生影響。學生認識到，蒸騰作用是生物圈水循環(huán)中不可或缺的一環(huán)，它連接著陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣系統(tǒng)，維護著地球上的水分平衡。通過對實驗結果的深入分析，學生不僅加深了對蒸騰作用的理解，還開始思考更廣泛的生態(tài)和環(huán)境問題。這次實驗讓學生認識到，生物和環(huán)境是一個不可分割的整體，每一個生物過程都與環(huán)境息息相關，互相影響。這種認識將激發(fā)學生進一步探索生物與環(huán)境的關系，為生物學和生態(tài)學的學習奠定堅實的基礎。

本次實驗深入探討了植物的蒸騰作用及其在生物圈水循環(huán)中的關鍵角色。學生親手操作、觀察和分析，不僅積累了實驗技能，更在STEM 理念的指引下，拓寬了對生物學和生態(tài)學的認知。實驗的每一步都是探索與發(fā)現(xiàn)的旅程，每一個數(shù)據(jù)都揭示了生物與環(huán)境的緊密聯(lián)系。期望這次實驗能夠成為學生科學探索之旅的起點，引領他們走向更廣闊的學術領域。